呼出气一氧化氮检测在临床上的应用进展

刘小龙 吴健

1南方医科大学研究生院,广州510080;2广东省人民医院/广东省医学科学院 广东省老年医学研究所,广州510080

呼出气一氧化氮 (fractional exhaled nitric oxide,FeNO)检测是以呼吸道呼出的一氧化氮 (nitric oxide,NO)为检测的主要来源。NO 主要来源于气道上皮细胞、内皮细胞及神经内分泌细胞等,呼吸系统主要是诱导型一氧化氮合酶 (inducible nitric oxide synthase,iNOS)参与调节气道上皮NO 的合成水平［1-3］。传统的肺功能只能反映气道的气流受限情况及严重程度,不能很好地预测疾病对药物的反应,但FeNO 可反映气道炎症水平,是一种无创的、简便的和有良好的依从性的检测方法。临床上FeNO广泛应用于支气管哮喘、COPD、心血管系统疾病及自身免疫性疾病的诊断、鉴别诊断、治疗和预后等［4-5］。本文就FeNO 试验的临床应用进展作一综述。

1 FeNO 在哮喘的诊断、表型预测及治疗中的临床应用

1.1 FeNO 在哮喘诊断中的临床应用 哮喘是一种气道炎症及气道高反应性疾病,主要通过喘息症状、可逆性气流受限及激发试验阳性等临床资料综合诊断。虽然目前FeNO 检测费用在我国仍偏贵,但鉴于其是一种无创、简便的临床检测方法,因此越来越广泛应用于哮喘的诊断、治疗策略选择及疾病监测［6-7］。美国国立卫生研究院建议,FeNO 试验应与过敏原筛查、痰嗜酸粒细胞计数一样作为哮喘检查首选方法［8-9］。ERS 亦推荐FeNO 试验作为辅助诊断哮喘手段之一［10-12］。目前基于FeNO 水平的炎症分级,ATS 推 荐 成 人Fe NO ＜25 ppb 为 基 线 水 平 (儿 童＜20 ppb),25～50 ppb为中炎性状态 (儿童20～35 ppb),＞50 ppb为高炎性状态 (儿童＞35 ppb)［11］。

为证实FeNO 测定在哮喘的临床诊断价值,Hanania等［13］就FeNO 检测结果与临床评价一致性进行了研究,结果显示临床病例中只有56%与FeNO 结果一致,并且低炎症组 (64%)的诊断准确率高于高炎症组,在不同炎症水平亚组的诊断价值不同,这说明Fe NO 诊断准确性可能与哮喘诊断时的炎症水平高低有关。一项纳入43 项研究共13 747例患者的荟萃分析［14］中,根据FeNO 水平成人组分成＜20 ppb组、20～29 ppb组、30～39 ppb组和＞40 ppb组4个亚组,各组敏感性分别为0.80、0.69、0.53和0.41,特异性分别为0.64、0.78、0.85和0.93,进一步证实了FeNO 水平越高,临床诊断的敏感性越低,但诊断的特异性更好;而儿童组中Fe NO 试验诊断准确性及特异性均优于成人组;同样非吸烟人群及激素抵抗人群诊断准确性均优于吸烟组及激素敏感组,提示该检测结果可能更适用于解释儿童、非吸烟者和糖皮质激素抵抗人群。因此,临床实践中综合患者所有临床资料对Fe NO 结果进行解释,可减少临床诊断错误率。FeNO 相比于传统的肺功能检查,优势在于能够反映气道炎症水平,使得肺功能对气道炎症估计不足之处得到补充。

1.2 FeNO 在咳嗽变异性哮喘 (cough variant asthma,CVA)诊断中的临床应用 CVA 是一种以慢性咳嗽为主要表现的哮喘亚型,病理生理改变主要为Th2相关炎症、气道高反应、嗜酸粒细胞浸润等。研究表明,FeNO 水平的变化与嗜酸性气道炎症显著相关［15］。许多研究报道CVA患者中FeNO 水平升高,然而FeNO 试验对检测CVA 的诊断价值仍然不一致［16-17］。为解决研究异质性问题,2018年一项纳入12项临床随机化对照试验包括1 968例受试者的荟萃分析显示,Fe NO 试验对CVA 诊断的敏感性为0.74,特异性为0.82,可见FeNO 试验可作为CVA 诊断的一种有效方法［4］。

1.3 FeNO 在哮喘筛查的重复测定 关于FeNO 在哮喘筛查的重复测定问题,2005年ATS/ERS指南建议进行2次FeNO 测量以获得2个值,然后应使用2 个值的平均值来解释测试结果［18］,但目前缺乏足够证据证明这个结论。2018年韩国一项回顾性分析研究表明,在操作者熟练掌握方法情况下进行单次FeNO 测定足以用于哮喘筛查,但值得注意,如果患者第1次的测量值远低于或高于临床医师的预期值或者肺功能非常好或非常差,则第2次测量将会减少测量的误差［19］。

1.4 FeNO 在哮喘表型预测中的临床应用 气道非特异性慢性炎症及高反应性是哮喘的多种机制之一［20］,且发病机制多变性往往影响着患者的治疗反应和预后。许多有效的治疗方法均是在炎症基础上进行的,但是一部分进行抗炎治疗效果差。因此,根据哮喘的表型对哮喘患者进行分类有助于指导治疗决策和针对性治疗。目前诱导痰细胞学检查是确定炎症表型的金标准,根据痰中嗜酸粒细胞和中性粒细胞的数量量化分型,可分为嗜酸粒细胞型 (＞3%)、中性粒细胞型 (＞65%)、混合型 (嗜酸粒细胞＞3%且中性粒细胞＞65%)和少细胞型 (嗜酸粒细胞＜3%且中性粒细胞＜65%)4种炎症分型［21-22］。但痰诱导细胞学检查具有较大侵袭性及技术操作挑战。

FeNO 可以反映气道炎症水平,研究表明高Fe NO 水平与嗜酸粒细胞炎症密切相关［15］,而嗜酸粒细胞性哮喘患者对吸入性糖皮质激素 (inhaled glucocorticoids,ICS)反应较好,高FeNO 水平哮喘患者更倾向于嗜酸粒细胞型及混合型炎症表型,可指导哮喘患者的治疗方案选择及治疗反应的预测。因此,FeNO 水平可能作为预测哮喘炎症表型及对糖皮质激素反应良好的2 型炎症的生物学指标之一［23-26］,但是单独使用FeNO 具有可变的和中等的准确性［27］。Shimoda等［28］研究发现肺部声音的频率和强度可能与气道收缩有关,提示能够通过肺音分析预测气道炎症的可能,他们对36例无症状哮喘患者与14名健康对照者的呼气-吸气声功率低频比 (expiratory-inspiratory ratios of sound power in the low-frequency range,E/I LF)进一步分析,证明在100～200 Hz的低频范围内肺部呼吸音的E/I LF与气道炎症和气道阻塞有关,但未能明确气道炎症的具体表型 (嗜酸粒细胞或中性粒细胞型)。Shimoda等［29］进一步将E/I LF 与FeNO 结合用于预测哮喘炎症表型的临床价值与标准诱导痰细胞学对比,发现FeNO 与E/I LF结合可作为混合炎症型与嗜酸粒细胞型哮喘的标志物,FeNO 和E/I LF的组合可作为诱导痰细胞计数的替代方法,并且FeNO 和肺音参数测定的无创性减少痰诱导试验的风险及复杂操作过程。另有1篇纳入869例哮喘患者的研究指出,FeNO 和血嗜酸粒细胞作为单一生物标志物能够准确预测一小部分患者痰嗜酸粒细胞≥3% (分别为10%、2%),单独的血清总IgE 不能准确预测嗜酸粒细胞的状态,而FeNO 联合血嗜酸粒细胞预测嗜酸粒细胞表型准确性可达到45%,有趣的是若再结合血清总Ig E 水平预测的准确性上升至58%［30］。

1.5 FeNO 在哮喘治疗及随访中的临床应用 在进行规范治疗前,最好已经明确诊断,其次最重要的是评估哮喘状态、严重程度及表型,根据哮喘阶梯方案治疗。在门诊患者中,哮喘控制通过临床症状和哮喘控制试验进行评估,但这些指标未能反映气道炎症水平。研究表明,高FeNO水平与嗜酸粒细胞性气道炎症高度相关［15］。嗜酸粒细胞的存在被认为是对ICS反应良好的指标,因此FeNO 是指导哮喘治疗方案及预测ICS药物反应的有效指标之一。

ATS建议在哮喘全程管理期间规律监测FeNO 水平作为哮喘指南内容之一［11］。Smith等［31］发现,与基于传统指南的剂量调整相比,规律监测FeNO 有助于减少哮喘控制下ICS的维持剂量,减少激素不良反应及经济损失。然而在2016年的一篇关于FeNO 在成人哮喘管理中的临床效益的meta分析 (纳入6 项临床随机化对照试验)中,以FeNO 监测中哮喘患者的严重恶化发生率及ICS使用的情况为观测指标,结果表明FeNO 指导下的哮喘治疗在严重恶化发生率及ICS使用方面与未进行FeNO 监测相比差异并没有统计学意义,但是在任意严重程度的恶化发生率有统计学意义的减少,由于纳入的研究异质性较大,未能得出一致性结论,即哪些条件下的患者能够从FeNO 监测中获益［6］。最后,在临床实践中,需要注意的是Fe NO 水平高低与哮喘严重程度并不一致。

2 FeNO 在COPD的诊断和治疗中的临床应用

2.1 FeNO 在COPD 诊断中的临床应用 COPD 是以不可逆的气流限制为主要特征。现有研究表明FeNO 在COPD管理中也发挥着重要的作用。

研究指出,FeNO 高水平与嗜酸粒细胞的炎症是明显相关的［15］。COPD 最常见的诱因是吸烟,常见的机制涉及到氧化应激反应,常表现为全身炎症反应。长期吸烟导致血液循环中的炎症因子IL-6、肿瘤坏死因子α、IL-8、C 反应蛋白水平升高,募集巨噬细胞、中性粒细胞、CD8+T 淋巴细胞等炎症细胞,这可能是COPD 患者气道中产生高水平NO 的重要原因。目前根据分型一氧化氮合酶的来源不同,分神经型一氧化氮合酶 (neuronal nitric oxide synthase,n NOS)、内皮型一氧化氮合酶 (endothelial nitric oxide synthase,eNOS)和iNOS 3 种。在COPD 患者中小气道、肺组织iNOS的表达显著增加［32］,从而导致COPD患者NO 水平增高,这可能与长期吸烟引起的肺外周组织炎症浸润有关。但有趣的是,严重COPD 患者的FeNO 水 平 可 能 低 于 轻 度COPD 患 者［33］,因 为NO 主 要 由气道上皮产生,重度COPD 患者NO 水平减低可能与肺泡结构破坏及纤维化程度相关。在最近的一项研究中,Brindicci等［34］研究发现COPD 患者外周血NO 水平升高可能是由n NOS引起的,这意味着COPD 患者NO 合成来源除了iNOS外还有n NOS,但进一步结论未能得到证实。据报道,COPD 急性加重期FeNO 水平较稳定期明显升高,而与哮喘有所不同的是,COPD 急性加重患者经过激素治疗后NO 水平很快即可得到控制［35］。Antus等［36］也发现,治疗过程中FeNO 水平的下降可能与第1秒用力呼气容积改善相关。Soter等［37］研究还发现FeNO 是COPD 急性加重期嗜酸粒细胞炎症的良好生物标志物。总的来说,FeNO试验对COPD 的诊断有一定的局限性,并且吸烟对其影响是关键环节。

2.2 FeNO 在COPD 治疗中的临床应用 据报道,FeNO试验和痰诱导嗜酸粒细胞计数具有类似的诊断价值。FeNO可用于预测COPD 嗜酸粒细胞炎症表型,并确定可从糖皮质激素治疗获益的患者组［38］,但是FeNO 降低并不能减少COPD 患者ICS的使用量,部分研究表明高剂量的ICS对COPD 患 者 呼 出NO 水 平 影 响 较 小［39］,这 可 能 与COPD 患者中合成NO 的一氧化氮合酶不同有关。Brindicci等［34］研究发现COPD 患者n NOS水平较高。现有研究表明COPD伴嗜酸粒细胞炎症患者对皮质类固醇有更好的反应［40］。关于FeNO 在COPD 稳定期对糖皮质激素治疗的变化,2016年一篇纳入5项临床随机对照试验研究共171例COPD 患者的荟萃分析指出,已戒烟的COPD 患者接受皮质类固醇治疗后,FeNO 水平显著下降［41］,但纳入样本量较小,与Brindicci等［34］研 究 结 果 相 矛 盾。总 之,FeNO 监 测 在COPD 治疗中发挥的作用机制尚不清楚。

2.3 FeNO 在α-1抗胰蛋白酶缺乏症中的临床应用 α-1抗胰蛋白酶缺乏症是由于蛋白酶抑制剂Z等位基因突变引起的一种遗传性疾病,α-1抗胰蛋白酶缺乏或低水平是患者发展成COPD 的重要危险因素。现有研究表明,重度α-1抗胰蛋白酶缺乏症患者与健康的不吸烟和COPD 患者相比,FeNO 水平减低;然而,低水平α-1抗胰蛋白酶缺乏受试者显示FeNO 水平升高,并且与血浆中α-1 抗胰蛋白酶浓度降低有关［42-44］。这提示FeNO 在预测α-1抗胰蛋白酶缺乏症者发展为COPD 结局中发挥着重要的作用。

3 FeNO 在心血管系统中的临床应用

3.1 FeNO 在心力衰竭中的临床应用 心力衰竭是心脏舒缩功能减退的一种生理状态。有研究认为,NO 在心力衰竭中起着重要的调节作用,但具体的调节机制不明,有人认为心力衰竭是通过NO 减少收缩血管因子分泌及心肌收缩力的调节［45］。部分研究显示,失代偿心力衰竭患者静息期NO 水平较高,运动后的稳定心力衰竭患者NO 水平较静息状态更高,这可能跟运动对eNOS刺激有关［46-47］。但大部分研究心力衰竭静息及运动时的NO 水平变化结果是互相矛盾的。

3.2 FeNO 在动脉粥样硬化及危险因素的临床应用 动脉粥样硬化是中老年人血管常见的一种病理生理改变,高危因素主要有吸烟、肥胖、高血压、高血脂及高血糖等。动脉粥样硬化始动因素是血管内皮的损伤,导致泡沫细胞等成分沉积血管内膜下。据目前研究NO 在动脉粥样硬化形成中起着重要的调节作用,包括血小板的黏附及聚集、炎症趋化因子释放及平滑肌细胞增殖和迁移等［48］。血管内皮损伤导致eNOS活性下降,使得NO 合成水平下降,并且血管动脉粥样硬化的程度与NO 水平呈负相关。最近亦有研究表明,高血清甘油三酯及高糖化血红蛋白的缺血性心肌 病 患 者NO 水 平 显 著 下 降［49］。

3.3 FeNO 在肺动脉高压中的临床应用 肺动脉高压主要病理生理机制是由于缺氧引起血管内皮功能障碍,合成NO 水平下降,导致肺血管重塑引起不可逆的肺动脉压力升高。正常人群NO 在调节肺血管舒缩中起着重要作用,研究表明肺动脉高压患者较健康人的NO 水平普遍降低,特别是特发性肺动脉高压更为显著,亦有研究证实肺泡灌洗液中NO 浓度也低于正常值,且与肺动脉高压程度成反比［50-51］。对5-磷酸二酯酶抑制剂等药物治疗有反应的肺动脉高压患者NO 水平要比治疗没有反应组倾向于升高［52］,这是否预示着FeNO 监测可以预测肺动脉高压患者对药物的反应呢? 目前结论尚未得到证实。

4 FeNO 在其他疾病的临床应用

4.1 FeNO 在慢性鼻窦炎中的临床应用 慢性鼻窦炎是常见的一种鼻旁窦慢性炎症。在正常人群中,NO 主要来自上呼吸道上皮细胞,极少量来自下呼吸道及肺组织。NO在上呼吸道调节局部黏膜血流量、腺体分泌、纤毛运动、抗病原体发挥着重要的作用［53］。研究表明NO 下调削弱了局部黏膜对病原体、血管扩张和黏膜黏液纤毛活动的防御能力,与鼻腔和鼻窦疾病的发生有密切关系［54-55］。为进一步明确FeNO 在鼻炎的临床诊断及预测价值,2018年一项对比评估纳入35例鼻炎临床病例与30名健康对照者,结果显示:鼻炎组FeNO 水平较正常组低,对于鼻炎诊断敏感性为93.3%,但特异性只有68.6%,并且慢性鼻窦炎患者相对于慢性鼻炎患者FeNO 水平显著下调,但是在慢性鼻炎不同组织学类型未发现差异,这提示FeNO 的检测有效提高早期鼻炎诊断,在鉴别鼻炎及鼻窦炎方面具有很好的价值［56］。目前研究提示鼻窦炎NO 水平下调可能与局部内皮细胞的eNOS水平较低有关［57］。

4.2 FeNO 在上呼吸道感染中的临床应用 呼吸系统感染在临床上较为常见,通常采用降钙素原、C 反应蛋白、白细胞、细菌培养和医学影像学等指标进行诊断,但对呼吸系统感染病因诊断无特异性。在临床上,Fe NO 检测方法在感染性疾病中应用较少,主要是由于感染因子种类较多,呼吸道暴露外界空气中,受影响因素过多。据报道,FeNO水平与呼吸系统病毒感染呈正相关［58］,但不同种类的病毒可以导致不同的结果,结论并不一致［59-61］。目前还没有应用于感染治疗过程中监测的证据。同时哮喘患者将面临这样一个挑战,即当哮喘患者感染病毒后,能反映哮喘本身气道炎症的FeNO 水平可能不太可靠。换言之,当病毒感染治愈后,可能需要重新检查FeNO 水平。

4.3 FeNO 在硬皮病中的临床应用 系统性硬皮病是一种弥漫性结缔组织疾病,常累及肺组织,主要表现为肺间质纤维化、肺动脉高压等,累及肺部与本病的预后及死亡率密切相关［62］。NO 在肺循环阻力调节中发挥重要的作用,但有研究显示系统性硬皮病患者eNOS合成NO 能力下降,导致肺血管阻力增加,从而引起肺动脉高压［63］。最近一项小样本研究显示,系统性硬皮病患者NO 水平高于成人健康组,而合并间质性肺病患者无论是否有肺动脉高压NO水平均较系统性硬皮病无合并症组低,并且在合并肺动脉高压亚组中NO 水平与肺动脉压成反比［64］。总之,目前FeNO 监测在系统性硬皮病合并间质性改变的临床价值仍需进一步研究。其他方面,如肝肺综合征、原发性纤毛运动障碍、支气管肺发育不良、同种异体排斥反应等疾病变化水平如表1所示。

表1 临床上不同疾病FeNO 水平变化［65］

FeNO 能反映气道炎症水平,与嗜酸粒细胞密切关联,是一种无创、依从性高的检查手段,是呼吸系统疾病如哮喘、COPD 等诊断、治疗、预测炎症表型等有用的生物标志物。此外,更多FeNO 研究拓展至心血管系统、自身免疫性疾病、炎症性疾病及先天性肺部疾病的治疗、鉴别及预后生存评估,但尚需要进一步的多中心前瞻性研究进一步证实。

利益冲突所有作者均声明不存在利益冲突